导线与电缆的选择及载流量计算 输入型控制器件介绍

3.1 导线与电缆的选择

本部分还可以见于专门讨论载流量的原创文章《怎样正确计算导线的载流量》。

一、导体的趋肤效应

学过物理学的人都知道，导体流过电流时，有一个著名的效应，我们也叫做趋肤效应。

趋肤效应：电流流过导体时，电荷将向导体外表面集中并定向流动，这个现象就叫做趋肤效应。

二、导线与电缆的选择及载流量核算

（一）导线的选择要考虑哪些因素

我们重点关注选择“低压绝缘导线”的三个原则。

1、承受最低的机械强度要求。如进户线，铜线用截面积不小于10mm2，铝线不小于16 mm2。

2、满足负载长时间通过正常工作最大电流的需要。

3、导线上的电压降不超过规定的允许电压降。国标限定为5%。

图3-2：导线选择的一般性原则（引用）

导线和电缆的选用除了根据以上原则外，还要考虑如下安装条件：

1、普通导线一般用在电柜、桥架、金属管内安装，电缆根据防护等级，可以在不同环境下直接明敷。

2、盘内固定线路可以用硬导线，活动部分（如柜内盘面到门的过线）必须用软导线。

3、敷设桥架、穿管用软导线，而不能使用硬导线。

4、穿管导线通常规定不小于1.5，实际我们使用经验最低不要小于0.75，必须有一定的强度，防止拉断。并且国标要求导线穿管面积不超过40%。

5、往复移动要使用高柔性电缆。

6、根据不同使用环境，要选择对应的专用电缆。如野外作业或拖地的临时电源线，必须使用橡皮电缆。而且要穿钢管或槽钢保护，或者架空处理。架空高度室内2.5m，室外4.5m，道路上方6.5米。设备临时电源即用即拆，在不影响安全情况下可以适当放宽。

（二）导线（电缆）的载流量的计算

一汽传统的算法——导线16mm2以下，可以按照6A/ mm2计算载流量。这个算法曾经误导了一代人，它一度成为考试的“经典”，并被错误地扩大化引用。有人甚至放大到电力电缆，从而导致严重的过载事故。

对铜导体，我们依据趋肤效应，即考虑载流量和导线截面的周长成正比，并用统计的方法，得到一个近似的计算方法。

我们工作和生活中估算载流量的情况很多，正确的估算方法是：

在没有条件查阅手册的情况下，我们可以忽略绝缘介质的影响，大致计算出载流量：

1．误差不超过20%的算法：

载流量=导体截面积的平方根*21（A）

2．误差不超过10%的算法：

（1）50平方毫米（含）以下：

最大载流量=导体截面积的平方根*23（A）

（2）50平方毫米以上：

最大载流量=导体截面积的平方根*19（安培）

但需要注意的是，无论计算还是查表的结果，都是指最大承载能力，实际使用中，要适当考虑留出一定余量。同时，要考虑向产品标准规格靠拢。

课堂练习：

现在再回头看看，假如600A的自动线，假如负荷率是60%，那我们应该选择多大的导线？

同学们不妨试试看，你能算出来吗？

最小截面=（600*60%/21）2=130（mm2）

按照导线标准产品，考虑一定余量，选取150mm2的导线应该够了。

3.2 输入型控制器件

所谓输入型控制器件，是指给控制系统发指令的器件，由于没有功率要求，只用于控制逻辑条件，一般不关注电流。

一、按钮

用于手工按压操作，接通或分断电信号发出指令的元件。

典型的按钮一般都至少有一对常开（动合，即动作后接通）、一对常闭（动断，即动作后断开）触点。

图3-4：按钮触点动作示意图

电流一般不超过5安，是逻辑元件，不适宜控制大功率负载，选择时一般不关注电流。一般考虑如下指标：

1、触点结构及数量；

2、安装外径；

3、颜色；

4、是否有蘑菇头（用于要求快速反应的操作）；

5、是否带指示灯。

二、钮子开关

一般用于选择通/断电信号或小功率的单相电源。

这种钮子开关大部分用于仪器仪表，在机床面板上很少使用。

钮子开关一般至少有一常开、一常闭触点。

图3-6：钮子开关触点动作示意图

它电流小，多数为5-10A。

选择时要考虑的参数：

1、电流大小；

2、安装尺寸。

三、船型开关

一般用于接通小功率的单相电源。

一般至少有一常开、一常闭触点，并共用一个公共点。动作结构与钮子开关类似。

同样船型开关电流也不大，多数为5-10A。安装时要使导线穿孔后焊接。

选择时要考虑的参数：

1、电流大小；

2、安装尺寸。

这种船型开关通常用于仪器仪表、插座盒，在机床面板上一般不使用。

四、主令开关

用于选择工作方式，如自动/手动/维修。有2、3、4位之分。

触点结构为一个公共点对多路输出。

图3-9：主令开关触点动作示意图

一般选择参数：

1、可选档位数；

2、安装尺寸。

由于是逻辑型元件，不关注电流。

还有一种带钥匙的主令开关，用于控制安全性高的场合，如控制电源送电、维修方式等。

五、波段开关

用于选择模拟量的有级档位控制，或多工作方式（3种以上）的选择。

这种器件结构比较复杂，不适合频繁操作，比较容易损坏。它一般由多层结构、旋转轴、动片、定片、拨杆等组成。

下面是其结构原理示意图：

图3-10：波段开关结构原理图

这也是一种逻辑器件，无须关注电流，只注意选择如下指标：

1、可选档位数；

2、安装尺寸。

波段开关大多数用在仪器仪表面板，输出为BCD代码。

六、机械行程开关

用于通过和运动体接触，感知机械运动机构的特定位置，当位置到达时发出信号的元件。

这类开关主体结构是纯机械式的，它同样是逻辑型元件，不能通过大的电流。

其触点结构和按钮类似，区别只是按钮用手驱动，行程开关由机械结构驱动。

主要参考参数：

1、安装结构；

2、开关动作形式：有单头摆杆、双头摆杆、压合式等多种。

开关的安装位置、触碰距离、偏转角度都有要求，不恰当的安装会损坏开关。

七、接近开关

用于通过电磁感应的非接触方式感知运动机构的特定位置是否到达的元件。

图3-14：接近开关电气原理图

该器件属于半导体结构元件，同样是逻辑元件，电流比较小。

主要注意的参数有：

1、电源电压：110VAC/24VDC等；

2、结构形式与安装尺寸：如外径，常用的有12、18等规格；

3、NPN或PNP；

4、线数：有2线、3线之分。

5、感应距离。从几毫米到几十毫米都有；

6、漏电流。

反案例：注意质量不好的开关，漏电流足以让PLC误动作！PLC的额定工作电流在10mA左右，如楼电流达到几个mA，就可能造成误触发。

八、光电开关

通过感光的方式感知运动机构的特定位置或检测物品存在的半导体元件。

参数主要选择：

与接近开关类似。

其接线方式类似接近开关，原理不在这里叙述。

图3-16：光电开关的接线（引用）

九、干簧管开关

用玻璃管式内装触点，感应汽缸活塞位置的器件，由活塞上的磁环感应动作。

该器件多数和汽缸配套供应。

图3-17：干簧开关（引用，不涉广告）

这种开关容易磁化，造成触点粘连。市场几元钱就能买到，尽量别直接换汽缸！

十、压力开关

用于测量固定压力（水、油、气等）点，并在压力到达时给出开关通断信号。

参数选择一般看压力可测量（调整）范围。

凡是安装压力开关的设备，该点的压力值应定期进行整定。压力报警不一定要穷究供气压力，在合理范围内可以通过调整压力开关解决。

十一、流量开关

用于测量固定流量（水、油等）点，并在流量到达时给出开关通断信号。

参数选择一般看流量可测量（调整）范围。

凡是安装流量开关的设备，该点的流量值应定期进行点检。尤其是润滑，更要关注。

反案例：发传中心磨床主轴报废事故。由于润滑不良，过滤网堵塞，造成40万主轴报废，生产凸轮轴废品700件。

十二、液位开关

用于测量固定液位（水等）点，并在液位到达时给出开关通断信号。

参数选择一般看液位可测量范围。

凡是安装液位开关的设备，该点的液位控制有效性应定期进行点检。

3.3 输出型控制器件

所谓输出型控制器件，是指电路在经过逻辑计算后，由电路逻辑被动驱动的器件。

一、接触器/功率控制元件

用于接受电路的逻辑判断结果，进而控制电动机、加热器等大功率设备。

接触器由励磁线圈得电后驱动铁心，推动触点动作。

由于它要控制大功率器件，因此触点对电流有要求，即主触点（三对常开）必须满足一定的电流要求。另外它还要反馈控制，因此也要输出逻辑控制触点，即辅助触点（一般为一常开一常闭）。

图3-22：接触器的接线原理图

为保证良好的电流通过能力，主触点普遍采用银合金。

主要参数：

1、线圈电压：有交流24V、36V、48V、110V、220V、380V等；也有直流接触器，但很少使用。我们设备上较普遍使用的是110VAC。

2、主触点电流：有10、20、40、60、80、100安培等。如西门子3TF 40系列，额定电流9～400A。

建议触点电流比较大的（几十尤其是百安以上），负载感性强的要在年度计划中增加接触器触点检查，用细砂纸磨平触点。

二、直流继电器/逻辑、功率控制元件

用于驱动小功率单相设备，或做中间隔离、逻辑变换。

继电器也是由励磁线圈得电后驱动铁心，推动触点动作。

图3-23：直流继电器 图3-24：直流继电器接线原理

它一般提供4套常开触点和4套常触点。

大部分直流继电器电流能力为2-10A，元件体积较小，也用于逻辑元件。

参数关注：

1、线圈电压：6、12、24VDC等；

2、触点电流：在用于驱动单相负载时要关注。直流继电器带电流能力比较小，一定要多留余量（40%以上）。

三、交流继电器/逻辑、功率控制元件

用于驱动小功率单相设备，或中间隔离、逻辑变换。

除了励磁线圈使用交流外，其它原理、接线方法、用途都与直流继电器类似。

这种继电器体积、电流都比直流继电器大些，用于驱动时一般可以用到10-16A，也用于逻辑控制。

参数关注：

1、线圈电压：常用110、220、380VAC（老设备）；

2、触点电流：用于驱动单相负载时要关注。

四、固态继电器/功率控制元件

固态继电器是用半导体功率元件代替机械触点的继电器器件。

原理上，它通过施加固定电压驱动晶体管（相当与励磁线圈），然后用功率管作为开关管来驱动负载。这种器件使用方法和直流继电器几乎相同，但接通状态时，器件“触点”（实际上是功率管开关）有零点几伏的压降。

图3-26：固态继电器 图3-27：固态继电器原理示意图

固态继电器的驱动可以有直流和交流。

案例：总装车间烧干油箱事故。由于晶体管被击穿，开闭无法受油温控制，晚上一箱机油被蒸发，险酿火灾事故。

五、时间继电器/逻辑元件

用于进行时间控制的器件，它的触点可以在设定时间后动作。

早期的时间继电器都是空气阻尼式元件，纯机械式，延时作用的产生是通过气囊阻尼，缓慢释放气体来实现的。现代普遍使用的是半导体式时间继电器，由阻容电路充放电来产生延时作用，时间控制长度和精度都大幅度提升。

除了触点是延时动作外，其它用法和继电器类似。

参数关注：

1）线圈电压：24VDC、110、220VAC；

2）时间范围：可调整时间从几秒到几十个小时不等。

六、电磁阀/功率元件

控制油路、气路、水路的通断的器件。

它在在电磁线圈驱动下，拉动阀芯以切换油、气、水路的通断。

气、水阀一般都是两位的，即通与断，由一个电磁线圈控制。

液压阀有两位、三位之分；三位阀的通路包含正向、反向和中位（关断），需要由两个励磁线圈来控制正、反向。

参数：

1、线圈电压：常用的有24VDC、110VAC等。即分直流、交流两种。

2、线圈电流：一般在几百毫安到2A之间，关注它的目的是为了合理设计机床控制回路保护，如保险、空开的大小。

电磁阀的阀芯不能发卡，否则容易发热，烧毁线圈。

七、指示灯

用于指示设备状态的灯具。

有的指示灯和按钮是一体的，用于显示按钮的状态。这样的按钮一般是保持型的，按下去灯亮，再按一次按钮恢复并熄灭指示灯。

指示灯有很多颜色选择，用于表达不同的含义。如红色、绿色、黄色、兰色、白色等。红色多用于故障报警，绿色用于正常状态。

关注的常用参数：

1、电压：灯丝型关注电压，一般为6.3、12、24VDC等；

2、电流：发光二极管关注电流，电流几毫安到几十毫安；

3、安装尺寸：决定面板上的安装孔大小，及面板尺寸、布置。

八、塔灯

组装成柱装的多个指示灯，用于特殊需要显目警示场合的指示。

这种灯一般用在主电柜顶部，指示设备的主要状态，如运行、停机、故障等。

九、计数器

用于计算工作电源被开关次数，并在次数到达时输出辅助触点控制。

现在的计数器都是半导体器件，由电子电路来完成功能设计，甚至可以植入单片计算机，功能越来越强。

主要参数：

1、线圈电压：常用24VDC、110VAC等；

2、计数范围：可设置的计数范围。

十、电热器件

这类器件包含电阻丝、电阻器等专门用于发热的器件，多数用于加热、烘干、制动等。

电热器件可以单相使用，也可以组合成三相使用。

主要参数要关注：

1、功率：以满足需要的热量或温度要求；

2、电流：用于设计电路时考虑保护元件的大小。

十一、蜂鸣器

用于声音报警。根据不同需要可选择范围很多：

主要参数：

1、线圈电压：如12、24VDC等；

2、音量大小：取决于功率（瓦数）、电流等。

十二、用于机床的部分民用电器

设备上也使用部分民用电器，如风扇、空调、照明灯具等。

风扇、空调用于电柜通风或局部风冷，照明灯用于机床控制柜内维修照明或操作工的工作照明。

这些设备由于在生活中也用于民用，是大家非常熟悉的，不再赘述。

3.4 保护、安全器件

一、保险器（熔断器）

用于电路的短路保护的器件。

常见形式有玻璃管、管式、瓷瓶式几种。

它的作用是在下级电路发生短路时，能够快速熔断，切断电源，以保护下级电路器件不被损坏。

主要参数：

熔断电流：常用的如0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100安培等。

反案例：使用中，非常忌讳使用相同熔断电流的铜丝代替保险丝，原因是保险丝选择的材料是能够快速熔断的，铜丝熔断速度慢，将延长下级电路的短路时间，造成器件损坏。而且，这也是在国家安全法规中明令禁止的。如果临时使用，要做好监控，并在备件到货后及时替换。

二、热继电器

用于三相电动机过载保护的器件。

图3-35：热继电器 图3-36：热继电器工作原理图

这种器件是通过不同的金属发热系数不同，使两种变形系数相差较大的金属片粘合在一起，在通过较大电流发热时形成弯曲变形，进而推动辅助触点动作来发出过载信号。

过载的特点是电流虽然超出额定负荷，但相对短路电流小得多，作用时间却比较长。短路保护可能在几秒之内造成损坏，而过载却可能几十秒才造成损坏。

参数关注：

脱扣电流：即保护电流的调整范围。

三、空气开关

用于短路、过载、缺相、失压等保护的器件；基本器件只有短路、过载保护。

空气开关的过载保护原理与热继电器类似，过流保护是靠一组电磁线圈在短路时产生较大吸引力来推动连杆机构使触点动作。

有些特殊用途的空气开关，还集成了缺相、失压等保护。

主要参数关注：

1、脱扣电流：即过载、短路保护电流等保护值的设定范围；

2、相数：有单、两、三相空气开关之分别，分别用于单相、两相、三相电源或负载保护。

四、电压（过压、欠压）继电器

用于过电压、欠电压保护。这种器件使用比较少。

有些特定场合对电源电压有要求，不能太高或不能太低的场合，可以使用这种器件。

这类器件有机电式和半导体式，通过检测电压，并设定在特定电压范围内输出辅助触点动作。

参数关注：

1、线圈电压：即继电器的工作电源电压；

2、保护电压：可调整的动作电压范围。

五、过流、欠流继电器

用于过电流、欠电流保护。这种器件使用比较少。

有些特定场合对工作电流有要求，不能太高或不能太低的场合，可以使用这种器件。如平面磨床的吸盘，靠电流产生磁力来吸住工件，电流太低时可能造成吸不住工件而飞件，就设计了这种保护。

这类器件有机电式和半导体式，通过检测电流，并设定在特定电流范围内输出辅助触点动作。

参数关注：

1、线圈电压：即继电器的工作电源电压；

2、保护电流：可调整的动作电流范围。

六、安全继电器

用于检测电动机等安全运行的继电器。

它特别设计用于设备安全控制。通过多继电器组合，在器件发生异常时，仍能确保安全动作。

PILZ PNOZ X3安全继电器图纸及应用方法如下图：

图3-41：PILZ PNOZ X3安全继电器图纸及应用方法

几个要点：

a) UB的A1/A2、B1/B2相当于继电器线圈电压，分别接入交、直流电源。

b) 输入回路S11/S12、S21/S22、S31/S32常态为短接，表示没有急停输入，断开时为急停。

c) 复位回路S13/S14、S33/S34常态为断开，接通为急停复位。

d) Y31/Y32为继电器状态的晶体管输出端。

e) 安全触点：13/14、23/24、33/34用于连接负载（可接三相）电源，在出现急停时可以立即切断这些负载电源。

f) 辅助控制触点：41/42，用于控制电路的辅助逻辑控制。

参数关注：

1、线圈电压：工作电源电压；

2、安全触点电流：安全触点可以通过的电流值。

七、安全光栅、光幕

保护区域内的人物干涉的器件，当人员进入或通过时输出保护信号，以选择性停止设备运行。

主要参数：

1、输入电压：常用0-24VDC、110-260VAC；

2、光轴间距：光束之间的间距；

3、感应距离：光栅的有效感应距离等；

4、保护高度：可保护高度范围；

5、输出形式：NPN、PNP、继电器等。

八、安全地毯

用于敷设在地面，防止人员误进入特定危险区域的器件；一旦人员踩踏，即发出控制信号。

安全地毯实际上相当于一个常闭开关，一旦受到一定压力，该“开关”断开。

关注参数：

1、表面材料：根据工况、环境腐蚀条件、耐磨要求选择；

2、厚度：地毯厚度；

3、激活力度：产生信号的压力大小；

4、允许负载：最大允许承受的负载；

5、出线形式：一般为两芯电缆。

3.5 变压、变流、电源器件

一、机床变压器

用于电源电压的数值变换，一般是由高压到低压。分单相、三相两类。

单相变压器用于“控制电源”电压的变换，而三相变压器一般用于机床电源的整体变换。

区别于供电电网的电力变压器，前者用于机床，后者用于厂房的整体供电。

单相变压器有原副边共用铁心和分用铁心两种，比较好的是后一种，不易烧损。

还有一种叫做自耦变压器的，副边由原边绕组抽头得到不同的电压，这种变压器一般不采用，其使用安全性不易控制。

参数关注：

1、输入电压：如460、380、220、110VAC等；

2、输出电压：220、110、36、27、6.3VAC等；

3、视在功率：变压器的总功率，单位KVA。

拓展思考：

1、美国460/115V变压器（原边为双绕组串联），如何改造成220/110V变压器？

2、三个单相变压器是否可以组合成三相变压器？为什么？

二、电流互感器：

用于交流电流变换，一般是把大电流转换为小电流，用于仪表检测。

电流互感器不允许开路，不然会在送电瞬间产生高压，烧毁线圈。

使载流导体穿过电流互感器线圈，在互感器中将感应出与载流导体电流成正比的感应电流，该感应电流被用于仪表检测。

电流互感器参数关注：

1、电流变比：即原、副边的电流变比；

2、输入电流：测量电流范围。

三、电压互感器：

用于交流电压变换，一般是把大电压转换为小电压，用于仪表检测。

图3-46：电压互感器

电压互感器不允许短路，不然会在送电时产生过电流，烧毁线圈。

使互感器原边接在检测交流电压的两端，在互感器中将感应出与检测电压成正比的感应电压，该感应电压被用于仪表检测。

电压互感器参数关注：

1、电压变比：即原、副边的电压变比；

2、输入电压：测量电压的范围。

电压互感器严禁做升压使用。

四、直流电源

（一）传统的串联型电源

这种电源曾经在20世纪后几十年时间内被广泛使用，是最早的半导体电源。

串联型电源由一个变压器把交流电压（如220V/110V）变换为较低的交流电压（几到几十伏），再通过晶体管电路转换为稳定的直流电压。其功率受变压器的限制，由于有一个比较大的变压器，电源显得比较笨重，体积较大。

由于串联型电源属于模拟型电源，电子电路工作在放大状态，因此电压比较平稳，且没有脉动，这是其优点。

但由于其体积大、笨重的缺点，和替代产品——开关型电源技术的日益发展，目前串联型电源已经基本被淘汰。

（二）开关电源

开关电源没有大的变压器，系统通过把交流电源通过变压、整流、滤波，送入开关管高频电路处理，再转换为直流稳定电压。

这类电源比较轻便，但缺点是由于工作在高频开关状态，因此有纹波。但随着技术的日益发展，开关电源已经相当普及。

为了便于使用，电源常被做成封闭模块形式，又叫“一体化电源”。

电源参数一般关注：

1、输入电压：输入交流电压范围，一般有220V、110V，或给定一个稳压范围如90-250VAC等；

2、输出电压：输出直流电压，常见的有5V、12V、±15V、24V等；

3、输出电流：输出直流电流大小；

4、电源功率：电源消耗的额定功率大小。

五、交流电源

（一）净化电源

净化电源是一种高品质的电源，是把电网中的干扰、浪涌、纹波等过滤掉了的。

这种电源一般为交流输入，交流输出，在对电源有特殊要求的场合可以选用。

参数和普通电源类似。

（二）不间断电源UPS

这种电源已成为民用产品，供给计算机等防止系统电源突然中断而使用。

其主要指标是：功率和后备待机时间，待机时间一般不低于15分钟。

六、稳压器

其实，前面介绍的直流电源和交流电源本身就具有稳压功能，但当对电网波动有更高的要求时，也可以采用如下专业稳压设备。

（一）自耦调压式稳压器

结构类似于自耦变压器，只是副边接点是可滑动的触头，通过调整滑动点来调节输出电压。

这种稳压器的滑动端是自动控制的，可以通过电动机来自动调节，以达到稳压的目的。但由于机械滑动触头会因为火花问题造成电源波形的缺失，对电子电路往往造成致命的损害，因此除非是在纯粹的继电器电路场合，一般极少采用。

关注的参数有：

1、输入电压：输入电源电压范围；

2、输出电压：输出电压调整范围；

3、功率：变压器的最大输出功率；

4、原副边电流：原副边的工作电流大小。

（二）磁饱和式稳压器

这是靠变压器磁路进入磁饱和状态，从而达到稳压效果的稳压设备。

主要参数：

1、可稳定电压范围：可以达到稳压效果的输入电压范围；

2、输出电压：输出电压大小；

3、视在功率。

（三）半导体式稳压器

利用半导体电路实现稳压的装置。

原理一般是先利用半导体电路由交流整流成直流，在直流环节实现稳压控制，再转换（逆变）为交流电源。

主要参数：

1、可稳定电压范围：可以达到稳压效果的输入电压范围；

2、输出电压：输出电压大小；

3、电流：可供应负载的电流大小。

七、浪涌吸收器

（一）用于电源的浪涌吸收设备

为防止电网浪涌进入设备微电子、计算机控制电路，一般都安装这种设备，以抑制浪涌电流对电网的干扰。

这种装置的选用，要看后端负载的大小，后端负载越大，其使用功率也越大。

（二）用于接触器、继电器的浪涌吸收器

在欧美的机床设备中，对电网品质有非常高的要求，因此对继电器、接触器等的线圈都要求进行浪涌吸收，以防止对电网产生干扰。

其选用同样和保护的线圈功率有关，线圈功率越大，模块吸收能力也要求越大。主要参数：

1、接入电压范围；

2、吸收电路的电阻和电容值。

八、就地补偿装置

就地补偿装置是用用电容补偿器对比较大的电机进行就地补偿，以提高功率因素，和改善电机对电网的影响。

主要参数：

1、千乏数：即可补偿的无功功率；

2、电压：可接入的电压范围。

　审核编辑：汤梓红